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Verfahren und Einrichtung zur mehrstufigen Speisewasservorwärmung
mittels aus verschiedenen Stufen der Dampfturbine einer Dampfkraftanlage entnommenen
Anzapfdampfes Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Einrichtung
zur mehrstufigen Speisewasservorwärmung mittels aus verschiedenen Stufen der Dampfturbine
einer Dampfkraftanlage entnommenen Anzapfdampfes, wobei der Anzapfdampf vor seinem
Eintritt in den jeweiligen Speisewasservorwärmer mit Teilmengen des Speisewassers
in einem Vorwärmer abgekühlt wird und die Teilmengen des Speisewassers nach der
Kühlung des Anzapfdampfes wieder zum Speisewasserstrom vereinigt werden.
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Dem Gegenstand der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine solche
Einrichtung zur mehrstufigen Speisewasservorwärmung so zu gestalten, daß die Überhitzung
des Anzapfdampfes für die Erwärmung des Speisewassers mit dem bestmöglichen thermischen
Wirkungsgrad ausgenutzt wird. Zur Lösung dieser Aufgabe geht sie von der Erkenntnis
aus, daß es zur Erzielung des günstigsten Wirkungsgrades des Wärmeüberganges erforderlich
ist, den Zuwachs an Entropie in den Vorkühlern des überhitzten Dampfes auf ein Minimum
zu beschränken, was bedeutet, daß die in dem überhitzten Dampf enthaltene Wärme
auf das Speisewasser mit dem geringstmöglichen Temperaturunterschied zwischen dem
zu kühlenden überhitzten Dampf und dem zu erhitzenden Speisewasser erfolgen muß.
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Wenn G, die Menge des abgezapften überhitzten Dampfes, t8 seine Auslaßtemperatur
aus der Turbine, tsk seine Kondensationstemperatur bei Anzapfdruck, c, seine spezifische
Wärme (Mittelwert zwischen den Temperaturen t, und tsk), Gw die Speisewassermenge
im Vorkühler, t., seine Temperatur vor und t., seine Temperatur nach der Erwärmung,
c", seine spezifische Wärme (Mittelwert zwischen den Temperaturen tw, und tw2) ist,
müssen zur Erzielung des optimalen Nutzeffektes des Vorkühlers für den überhitzten
Dampf in der für die restlose Übertragung der Überhitzungswärme des Anzapfdampfes
an das Speisewasser geltenden Gleichung: G" - cs (t, - tsk)
= Gw - cw (tw2 - tw1) (@ bei einem Gegenstromkühler für den
überhitzten Dampf die folgenden Bedingungen erfüllt sein: 1. t
s > tw2, tsk > tw,.
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2. Der Endtemperaturunterschied im Vorkühler d t2 = ts
- t., muß möglichst klein sein.
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3. Der Anfangstemperaturunterschied im Vorkühler d t,
= tIk - tw, muß ebenfalls möglichst klein sein. Dies bedeutet, daß
Speisewasser von einer Temperatur, die um d t, niedriger sein muß als die
Kondensationstemperatur des zu kühlenden Dampfes bei Abzapfdruck, in den Vorkühler
für den überhitzten Dampf eintreten muß.
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Die Erfüllung der obenerwähnten Bedingungen in Gleichung 1 ist nur
möglich, wenn ts - tsk = tw2 - tw1 und deshalb auch Gs
' cs = Gw, ' cw oder
Der optimale Betrag des in den Vorkühler für den überhitzten Dampf mit einer Temperatur
von tw, = tsk - d t, eintretenden Wassers ist deshalb durch diese
Bedingung bestimmt und ist immer wesentlich niedriger als die Gesamtmenge des durch
das Regenerationssystem
fließenden Speisewassers und ziemlich nahe
der Dampfmenge G, an der betreffenden Anzapfung. Grob kann sogar angenommen werden,
daß G" = G".
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Das Speisewasser, welches in einer Menge G" in dem Vorkühler für den
überhitzten Dampf auf eine Temperatur twz = ts - d t2 erhitzt wurde,
muß dem übrigen Speisewasser dort zugeführt werden, wo die Temperatur dieses übrigen
Speisewassers der Temperatur twz am nächsten ist, da sonst die thermodynamischen
Vorteile des Vorkühlers für den überhitzten Dampf nicht wirksam sein würden. Wenn
bei zu geringer Überhitzung des abgezapften Dampfes die Temperatur t"2 niedriger
sein würde als die Kondensationstemperatur tsx des Dampfes in der Anzapfung beim
nächsthöheren Druck, würde der Vorkühler für den überhitzten Dampf keinen Wert haben.
Wenn die Temperatur t"2 höher ist als die Temperatur des das Regenerationssystem
verlassenden Speisewassers, ist die Menge G" erst hinter dem letzten Speisewasservorwärmer
zuzusetzen.
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Die oben als bekannt vorausgesetzte Einrichtung erfüllt diese Bedingungen
nicht. Der erzielte Wirkungsgrad der Speisewasservorwärmung ist daher ungünstig.
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Das trifft auch auf eine weitere vorbekannte Einrichtung zur mehrstufigen
Speisewasservorwärmung zu, die eine Mehrzahl von Speisewasservorwärmern aufweist,
welche je von verschiedenen Turbinenstufen aus durch Anzapfdampf geheizt werden.
Bei dieser Einrichtung durchfließt der Speisewasserstrom nacheinander vom Kondensator
aus die hintereinandergeschalteten Speisewasservorwärmer. Hinter dem letzten, mit
dem Anzapfdampf aus der ersten Hochdruckstufe der Turbine gespeisten Speisewasservorwärmer
ist ein Abzweig vorgesehen, über den ein Teilstrom des Speisewassers durch eine
Reihe von Vorkühlern strömt, die den aus den verschiedenen Turbinenstufen kommenden
Anzapfdampf abkühlen. Dabei fließt der Teilstrom zunächst durch den Vorkühler, der
der letzten vor dem Kondensator liegenden Anzapfstufe der Turbine zugeordnet ist,
und durchläuft dann die vorgeordneten Vorkühler, bis er aus dem der ersten Hochdruckstufe
zugehörenden Vorkühler in den Kessel geleitet wird. -Diese Anlage kann den obengenannten
Bedingungen deswegen nicht genügen, weil der Teilstrom des Speisewassers, welcher
aus dem der ersten Hochdruckstufe angehörenden Vorwärmer austritt, die höchste Speisewassertemperatur
hat, dagegen der von ihm zunächst durchflossene Vorkühler, welcher der letzten Niederdruckstufe
zugeordnet ist, den Anzapfdampf mit der geringsten Temperatur führt.
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Demgegenüber wird gemäß der Erfindung ein wesentlich besserer Wirkungsgrad
der Speisewasservorwärmung dadurch erzielt, daß die Teilmengen jeweils an denjenigen
Stellen des Speisewasserstromes abgezweigt werden, an denen die Temperatur des Speisewassers
gleich der Kondensationstemperatur des abzukühlenden Anzapfdampfes oder nur wenig
niedriger ist, und dem Speisewasserstrom wieder dort zugeführt werden, wo die Temperaturunterschiede
der beiden sich mischenden Flüssigkeiten am geringsten sind.
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Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung überschreitet die Zahl der Vorkühler
nicht die Zahl der Anzapfungen für den überhitzten Dampf. Die Vorkühler können verhältnismäßig
klein sein, da nur geringe Mengen von Wasser hindurchgeführt werden und hohe Fließgeschwindigkeiten
in der. Vorkühlern erreichbar sind, um die Wärmeübertragung zu vergrößern und eine
weitere Verkleinerung in den Abmessungen der Vorkühler zu ermöglichen.
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Die Zeichnung stellt in Fig. 1 und 2 Ausführungsbeispiele des Gegenstandes
der Erfindung dar.
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In Fig. 1 strömt aus einem Dampferzeuger 1 durch eine Leitung 2 hocherhitzter
Dampf nach dem Hochdruckteil 3 einer Dampfturbine. Von dort strömt der Dampf durch
einen Zwischenüberhitzer 4 zum Niederdruckteil 5 der Dampfturbine, welche
zum Antrieb eines Generators 6 verwendet wird. An den Niederdruckteil der Turbine
ist ein Kondensator 7 angeschlossen. Aus diesem wird das Kondensat durch eine Reihe
hintereinandergeschalteter Schlangenrohre Ho, Hl, H2, H3, H4 und H5 geleitet, die
jeweils in einem Speisewasservorwärmer So, S1, S2, S3, S4 und S5 untergebracht
sind.
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Vom Hochdruckteil 3 der Turbine gehen Leitungen To, T, und
T2 und vom Niederdruckteil 5 der Turbine Leitungen T3, T4 und T5 aus zum Anzapfen
von überhitztem Dampf aus der Turbine.
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Wie bei einer bekannten Anordnung ist ein Vorkühler D, vorgesehen,
welcher über die Leitung To überhitzten Dampf vom höchsten Druck erhält. In ihm
ist ein Schlangenrohr Wo untergebracht, welches mit seinem einen Ende an den Dampferzeuger
1 und mit seinem anderen Ende an eine Rohrleitung angeschlossen ist, welche vom
Schlangenrohr H, des Speisewasservorwärmers So kommt und das gesamte erhitzte Wasser
des letzteren nach dem Dampferzeuger 1 führt.
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Die bekannte Anordnung weist ebenfalls eine sich vom Speisewasservorwärmer
So zum Speisewasservorwärmer S1 erstreckende Leitung Co, eine sich vom Speisewasservorwärmer
S,_ zum Speisewasservorwärmer S2 erstreckende Leitung Cl, eine sich vom Speisewasservorwärmer
S2 zum Speisewasservorwärmer S3 erstreckende Leitung C2, eine sich vom Speisewasservorwärmer
S3 zum Speisewasservorwärmer S4 erstreckende Leitung C3, eine sich vom Speisewasservorwärmer
S4 zum Speisewasservorwärmer S5 erstreckende Leitung C4 und eine Leitung C5 vom
Speisewasservorwärmer S5 zu dem Kondensator 7 auf, wo der kondensierte Dampf dem
Kondensat zugeführt wird, welches durch die Schlangenrohre der Speisewasservorwärmer
mittels der Pumpe 8 gefördert wird.
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Da angenommen werden kann, daß der aus der Turbine durch die Leitung
T5 an dem Punkt des niedrigsten Druckes abgezapfte Dampf Naßdampf ist, wird die
Leitung T5 direkt zum zugeordneten Speisewasservorwärmer S5 in bekannter Weise geführt.
Entsprechend kann angenommen werden, daß der durch die Leitung T4 an der Stelle
des nächsthöheren Druckes abgezapfte Dampf nur leicht überhitzt ist, so daß die
Leitung T4 auch direkt mit dem zugeordneten Speisewasservorwärmer S4 verbunden sein
kann.
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Da aber der aus der Turbine durch die Leitungen T,, T2 und T3 abgezapfte
Dampf höher überhitzt ist, werden gemäß der Erfindung Vorkühler Dl, Dz und D3 vorgesehen,
welche einmal an die Leitungen T1, T2 und T3 und zum anderen an die zugeordneten
Speisewasservorwärmer S1, S2 und S3 angeschlossen sind, so daß der abgezapfte überhitzte
Dampf durch diese Vorkühler strömt, bevor er in die Speisewasservorwärmer eintritt.
In den Vorkühlern Dl, Dz und D3 sind Schlangenrohre W1, Wz und W3 untergebracht,
durch welche ein Teil des Speisewassers geführt wird. Die Schlangenrohre W,, Wz
und W3 sind an die Leitungen zwischen den Speisewasservorwärmern So, S1, S2 und
S3 über
Ventile R1, Ra und R3 angeschlossen, um den Teil des erwärmten
Speisewassers zu regeln, welcher zu den Schlangenrohren der Vorkühler Dl, DZ und
D3 geleitet wird. Da das Ventil R3 am Auslaß des Speisewassers aus dem Schlangenrohr
H3 angeordnet ist, ist die Wassertemperatur am Einlaß des Schlangenrohres W3 um
einen Betrag d t kleiner als die Kondensationstemperatur des durch die Leitung T3
abgezapften Dampfes. Da die Temperatur des durch die Leitung T3 abgezogenen Dampfes
höher sein wird als die Kondensationstemperatur des Hochdruckdampfes, welcher durch
die Leitung To abgezogen und im Speisewasservorwärmer So kondensiert wird, muß das
Speisewasser vom Schlangenrohr W3 des Vorkühlers D3 dem anderen Speisewasser über
eine Leitung zugefügt werden, welche angeschlossen ist an die Verbindungsleitung-
vom Schlangenrohr Ha zum Dampferzeuger 1 am Punkt-L1,3. Das gleiche gilt für den
Vorkühler D,.
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Da anzunehmen ist, daß die Temperatur des durch die Leitung TZ abgezapften
Dampfes niedriger ist als die Kondensationstemperatur des durch die Leitung To abgezapften
Dampfes, aber höher als die Kondensationstemperatur des durch die Leitung T, abgezapften
Dampfes, wird gemäß der Erfindung das aus dem Schlangenrohr WZ des Vorkühlers DZ
ausfließende Speisewasser mit dem anderen Speisewasser gemischt über eine Leitung,
welche an die Verbindungsleitung zwischen den Speisewasservorwärmern S, und So an
einem Punkt L2 angeschlossen ist, welcher zwischen dem Speisewasservorwärmer So
und dem Ventil R, gelegen ist.
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Das dem Schlangenrohr Wz zugeführte Speisewasser wird in Übereinstimmung
mit den vorstehenden Ausführungen von dem anderen Speisewasser durch das Ventil
Ra am Auslaß des Schlangenrohres Hz abgetrennt. Der Grundgedanke der Erfindung würde
aber der gleiche bleiben, wenn das dem Schlangenrohr W3 zugeführte Wasser von dem
übrigen Speisewasser an einem Punkt R, 'in der Verbindungsleitung zwischen den Speisewasservorwärmern
S2 und S3 abgetrennt würde, wo die Temperatur des Speisewassers auch niedriger ist
als die Kondensationstemperatur des durch die Leitung T3 abgezapften Dampfes.
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Die Ausführungsform nach Fig.2 enthält Speisewasservorwärmer So bis
S5, welche an die Leitungen To bis T5 angeschlossen sind. Wie im ersten Ausführungsbeispiel
sind die Leitungen T4 und T5, welche von Stellen verhältnismäßig niederen Druckes
ausgehen, direkt mit den zugeordneten Speisewasservorwärmern S, und S5 verbunden,
während die Leitungen T, bis T3, welche von Stellen verhältnismäßig hohen Druckes
ausgehen und überhitzten Dampf abzapfen, an die Vorkühler D, bis D3 angeschlossen
sind.
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Die Rohrschlangen der Speisewasservorwärmer sind in Reihe hintereinander
verbunden, so daß das Speisewasser von dem Kondensator 7 nacheinander durch die
Rohrschlangen der Speisewasservorwärmer mittels der Pumpe 8 gedrückt wird. Das gesamte
erhitzte Speisewasser wird über das Schlangenrohr Ho des Speisewasservorwärmers
So in das Schlangenrohr Wo des Vorkühlers D, geführt, wo das Speisewasser weiter
erhitzt wird durch den über die Leitung To abgezapften Dampf. Das gesamte Speisewasser
wird zum Dampferzeuger 1 geleitet.
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Die eine Kaskadenverbindung zwischen den verschiedenen Speisewasservorwärmern
schaffenden Leitungen Co bis C5 nach Fig. 1 sind bei der Anordnung nach Fig.2 weggelassen,
ebenso die Ventile R,, R2 und R3. Dafür enthält aber das Ausführungsbeispiel nach
Fig. 2 Pumpen Po bis P5, deren Einlässe jeweils an die Speisewasservorwärmer So
bis SS angeschlossen sind und das Kondensat des abgezapften Dampfes aufnehmen. Die
Auslässe der Pumpen P4 und P5 sind an die Verbindungsleitungen zwischen den Speisewasservorwärmern
S3, S4 und S4, S5 angeschlossen, wodurch das Kondensat des abgezapften Dampfes von
den Speisewasservorwärmern S4 und SS mit dem Hauptstrom des Speisewassers gemischt
wird. In gleicher Weise ist der Auslaß der Pumpe Po, die das Kondensat des abgezapften
Dampfes von dem Speisewasservorwärmer So aufnimmt, direkt angeschlossen an die Leitung
vom Schlangenrohr Ha zum Vorkühler Do.
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Weiter ist gemäß der Erfindung der Auslaß der Pumpen P,, P2 und P3
angeschlossen an jeweils eines der Schlangenrohre W,, WZ und W3 der Vorkühler Dl,
DZ und D3.
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Es ist anzunehmen, daß die Temperatur des durch die Leitung T3 abgezogenen
Dampfes höher ist als die Kondensationstemperatur des durch die Leitung To abgezogenen
und im Speisewasservorwärmer So kondensierenden Dampfes, so daß das vom Kondensat
des abgezogenen Dampfes gebildete Speisewasser aus dem Schlangenrohr W3 des Vorkühlers
D3 zum anderen Speisewasser über eine Leitung zugefügt wird, welche an die Leitung
vom Speisewasservorwärmer So zum Dampferzeuger 1 an den Punkt L,,3 angeschlossen
ist. In gleicher Weise wird das erhitzte Speisewasser aus dem Schlangenrohr W, des
Vorkühlers D, dem anderen Speisewasser zugefügt.
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Es kann angenommen werden, daß die Temperatur des durch die Leitung
T2 abgezapften Dampfes niedriger ist als die Kondensationstemperatur des durch die
Leitung To abgezapften Dampfes, jedoch höher als die Kondensationstemperatur
des durch die Leitung T, abgezapften Dampfes, so daß gemäß der Erfindung das das
Schlangenrohr W2 des Vorkühlers DZ verlassende Speisewasser gemischt wird mit dem
anderen Speisewasser an einem Punkt L2, der zwischen den Rohrschlangen der Speisewasservorwärmer
So und S, gelegen ist.
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Mit der in Fig. 2 dargestellten Anordnung ist eine Vergrößerung des
Druckes an dem Auslaß der Pumpen P,, P2 und P3 leicht zu erzielen, um die Fließgeschwindigkeit
des Speisewassers durch die Schlangenrohre W,, W2 und W3 zu vergrößern. Das erlaubt
eine Verkleinerung der Abmessungen der Vorkühler, während die Wärmeübertragung zwischen
dem Speisewasser und dem durch die Vorkühler strömenden überhitzten Dampf erhöht
wird.